Hydromechanical stress in aerated stirred tanks

Daub, Andreas; Büchs, Jochen; Herwig, Christian

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-059095

Hydromechanical stress in aerated stirred tanks = Hydromechanische Belastung in begasten Rührreaktoren

Daub, Andreas

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Daub

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor) ; Herwig, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-059095
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540521/files/540521.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540521/files/540521.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; multiphase reactors (frei) ; aeration (frei) ; agitation (frei) ; hydromechanical stress (frei) ; energy dissipation (frei) ; turbulence (frei) ; drop size (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Turbulenzintensität bzw. die hydromechanische Belastung ist in vielen industriell relevanten Prozessen, die in begasten Rührreaktoren betrieben werden, ein bestimmender Parameter. Diese Prozesse sind häufig charakterisiert durch intensive Begasung und Rührung. Dies gilt insbesondere für großtechnische Fermentationsprozesse. Die Messung der hydromechanischen Belastung unter Bedingungen hoher Begasungs- und Rührintensität ist überaus schwierig. Auf Grund fehlender Messmethoden gibt es nur wenige Untersuchungen zur Turbulenzcharakteristik unter diesen Bedingungen. Daher konzentrierte sich die vorliegende Arbeit auf die folgenden drei Themenschwerpunkte: (1) die Entwicklung einer Messmethode zur Charakterisierung der hydromechanischen Belastung in begasten Rührreaktoren, (2) die Untersuchung des Einflusses der Begasung auf die hydromechanische Belastung und (3) die Charakterisierung des Einflusses der Geometrie und des Maßstabs auf die hydromechanische Belastung in begasten Rührreaktoren.Eine neue Messmethode wurde etabliert, die auf der bekannten Korrelation des maximalen stabilen Tropfendurchmessers einer koaleszenzgehemmten Dispersion mit der hydromechanischen Belastung beruht. Die spezifischen Eigenschaften der kontinuierlichen und der dispersen Phase wurden so gewählt, dass es zum ersten Mal möglich wurde, dieses Prinzip auf begaste Rührreaktoren anzuwenden. Dies wurde hauptsächlich erreicht durch die geringe Konzentration der dispersen Phase, einer geringen Ionenstärke der kontinuierlichen Phase und der Wahl einer dispersen Phase – Paraffinöl – mit negativem Spreitungskoeffizienten. Der negative Spreitungskoeffizient führt zur Vermeidung von Koaleszenz auf Grund von Tropfen-Blasen-Interaktionen bei begasten Betriebsbedingungen.Diese neue Methode wurde eingesetzt um den Einfluss der Begasung auf die hydromechanische Belastung in einem breiten Bereich von begasten und unbegasten Betriebsbedingungen in einem 3 m3 Reaktor zu untersuchen. Es wurden Ergebnisse von Dispergierexperimenten mit zwei unterschiedlichen Konfigurationen 6-blättriger Scheibenrührer mit Durchmessern d = 0.41 m (d/DR = 0.34, Konfiguration B-1) und d = 0.51 m (d/DR = 0.43, Konfiguration B-3) gezeigt. Die Ergebnisse von Experimenten ohne Begasung waren in guter Übereinstimmung mit Daten aus der Literatur. Die Ergebnisse von Experimenten mit Begasung zeigten eine ausgeprägte Dämpfung der Turbulenzintensität in Rührreaktoren durch die Gegenwart von Gasblasen. Das Verhältnis zwischen maximaler und durchschnittlicher Energiedissipationsrate, φ, wurde durch die Begasung bei gleichem spezifischen Leistungseintrag im Vergleich zu unbegasten Bedingungen für die Rührerkonfiguration mit d/DR = 0.34 (B-1) um 64% verringert und für die Rührerkonfiguration mit d/DR = 0.43 (B-3) um 52%. Im Bereich der untersuchten Begasungsraten (0.1 vvm bis 1 vvm) hatte der Wert der Begasungsrate keinen Einfluss auf das Ergebnis.Die Methode wurde weiterhin in einem breiten Bereich von Reaktormaßstäben (50 L, 3 m3 und 40 m3 Nennvolumen), Rührergeometrien (Scheibenrührer und eine Ekato Phasejet/Combijet Kombination) und Betriebsbedingungen eingesetzt um den Einfluss der Geometrie und des Maßstabs auf die hydromechanische Belastung zu untersuchen. Der Vergleich von Daten aus unterschiedlichen Maßstäben zeigte einen Maßstabseffekt, der zu höheren Werten für φ mit steigender Reaktorgröße führt. Dieses Verhalten wird durch die klassische Theorie des turbulenten Tropfenaufbruchs nicht beschrieben, ist aber in guter Übereinstimmung mit dem Phänomen der intermittierenden Turbulenz. Die Daten für alle Rührerkonfigurationen und Begasungsraten für die drei untersuchten Maßstäbe korrelierten sehr gut, wenn für die Berechnung der maximalen lokalen Energiedissipation aus den gemessenen Werten für dmax abgeleitete Werte für φ verwendet wurden. Bei Verwendung dieser Werte für φ fiel der größte Teil der Daten auf einen Bereich von 20% um die theoretische Vorhersage aus der klassischen Theorie des turbulenten Tropfenaufbruchs. Eine Korrelation der Daten für alle Maßstäbe und Rührerkonfigurationen in der Form φ = 2.3∙(φ unbegast)0.34∙(DR)0.543 wurde vorgeschlagen, die den Einfluss des Maßstabs und der Rührergeometrie auf φ für begaste Betriebsbedingungen mit guter Genauigkeit beschreibt. Die Ergebnisse für eine Ekato Phasejet/Kombijet Rührerkonfiguration zeigen, dass diese Korrelation auch eingesetzt werden kann, um die hydromechanische Belastung für andere Rührergeometrien als für Scheibenrührer abzuschätzen.

Turbulence intensity, or hydromechanical stress, is a controlling parameter in manyindustrially relevant processes that are operated in aerated stirred tanks. These processes areoften characterized by intense aeration and agitation, particularly in the fermentationindustries. Measurement of hydromechanical stress under conditions of intense aeration andagitation is extremely difficult. Very few data on turbulence characteristics exist due to alack of measurement techniques. Therefore, this thesis focused on three main topics: (1) thedevelopment of a measurement technique for hydromechanical stress in aerated stirredtanks, (2) the investigation of the influence of aeration on hydromechanical stress and (3)the characterization of the influence of geometry and scale on hydromechanical stress inaerated stirred tanks.A new measurement method was developed that is based on the well established correlationof maximum stable drop size of a break-up controlled dispersion with hydromechanicalstress. The continuous and dispersed phase properties were selected to be able for the firsttime to apply this principle to aerated operating conditions. This was achieved mainly byapplying a dilute dispersion, a low ionic strength and by incorporating a dispersed phase,paraffin oil, with a negative spreading coefficient. The negative spreading coefficientprevents coalescence due to drop-bubble interactions for aerated operating conditions.This new method was applied to investigate the influence of aeration on hydromechanicalstress for a broad range of aerated and unaerated operating conditions in a 3 m3 reactor.Results from drop dispersion experiments with two different setups of 6-bladed Rushtonturbine impellers with diameters of d = 0.41 m (d/DR = 0.34, setup B-1) and d = 0.51 m(d/DR = 0.43, setup B-3) in a 3 impeller configuration were presented. The results fromexperiments without aeration were well in agreement with the existing literature on dropdispersion. The results from experiments with aeration indicated a strong attenuation ofturbulence intensity in stirred tank reactors by the presence of air. The ratio betweenmaximum and volume-averaged energy dissipation rate, φ, was reduced by aeration by 64 %for the d/DR = 0.34 impeller setup (B-1) and by 52 % for the d/DR = 0.43 impeller setup (B-3) when compared with unaerated operating conditions on the basis of equal volumetricpower input. The value of the aeration rate had no measurable effect in the range of aerationrates applied, which was between 0.1 vvm and 1 vvm.The method was then applied in a broad range of reactor scales (50 L, 3 m3 and 40 m3volume), impeller geometries (Rushton turbines and an Ekato Phasejet/Combijetcombination) and operating conditions to investigate the influence of geometry and scale onhydromechanical stress. Comparison of data between the different scales showed that thereis a scale effect that results in higher values for φ in larger reactors. This behaviour is notcovered by the classic theory of turbulent drop dispersion but is in good agreement with thetheory of turbulence intermittency. The data for all impeller configurations and all aerationrates for the three scales correlated very well when calculated values for φ based on themeasured values for dmax were used to calculate the maximum local energy dissipation rate.Most of the data was within 20 % around the theoretical prediction from the classic theoryof drop dispersion when these values for φ were used. A correlation of the data for all scalesand all impeller configurations in the form φ = 2.3·(φunaerated)0.34·(DR)0.543 was suggested thatsuccessfully models the influence of scale and impeller geometry on φ for aerated operatingconditions. Results for an Ekato Phasejet/Combijet impeller setup showed that thiscorrelation can also be applied successfully to estimate hydromechanical stress for impellergeometries other than Rushton impellers.The measurement method and the data presented in this thesis represent an important stepforward in the characterization of hydromechanical stress in stirred tanks under aeratedoperating conditions. The newly developed measurement method can be applied in thefuture to characterize further agitator and reactor designs under process relevant operatingconditions which was frequently not possible in the past due to a lack of measurementtechniques. The correlation for φ developed in this work can be beneficially used forapproximate calculations of hydromechanical stress for geometries for which experimentaldata is not available. In combination with further important process parameters like masstransfer characteristics and mixing characteristics of impeller setups, characteristics ofhydromechanical stress can be incorporated in reactor and process optimization in a morerelevant manner than possible before.

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